玛湖凹陷百口泉组砂砾岩储集层岩石力学特征与裂缝扩展机理

刘向君，熊健，梁利喜，尤新才

随着能源需要增加及勘探开发技术的进步，砂砾岩油气藏受到越来越多的关注[1-4]。近年来，国内外发现了大量的砂砾岩油气藏，如准噶尔盆地西北缘地区、辽河油田西部凹陷、华北油田廊固凹陷、胜利油田东营凹陷和车镇凹陷等，其中准噶尔盆地西北缘地区为冲积扇低孔低渗砂砾岩油气藏的主要分布区[5-9]。玛湖凹陷是准噶尔盆地六大生烃凹陷之一，也是盆地最具规模的油气聚集带与勘探区。随着勘探的深入，玛湖凹陷西斜坡下三叠统百口泉组（T1b）已成为重要的勘探开发层系[10-11]。玛湖凹陷百口泉组主要为冲积扇沉积，以砂砾岩储集层为主，其储集层埋深普遍大于3 000 m，具有典型低孔低渗的特点[9，12]。针对玛湖凹陷下三叠统百口泉组砂砾岩储集层，前人进行了大量的研究，取得了一定的认识。这些研究主要集中在冲积扇沉积特征[13-14]、成岩作用特征[15-16]、烃源岩特征[10]、成藏控制因素[10-11，17]、地震沉积学的应用[12]、岩性[18]、孔隙结构[19]等，但针对百口泉组砂砾岩储集层的岩石力学特性方面的研究还有待深入。同时，砂砾岩储集层岩性复杂，砾石成分和基质成分差异大，这些因素对储集层中裂缝的延伸过程产生影响，而针对砂砾岩储集层的裂缝延伸机制的研究成果相对较少[20-21]。因此，砂砾岩的力学特征以及裂缝扩展机制的研究对于预防钻井、完井复杂事故和保障压裂综合效果具有重要意义。

针对岩石力学特性的研究，学者们开展了大量的试验研究。文献［22］通过常规三轴试验以及加载和卸载试验研究发现，法国Tournemire地区massive页岩样品具有明显的塑性特征和显著的各向异性；文献［23］通过三轴压缩试验测试石灰岩的凯塞尔效应特征，研究岩石的地应力状态；文献［24］通过岩石力学试验研究了页岩的力学强度和变形特征；文献［25］研究了珠江口盆地含砾地层的岩石力学特性；文献［26］通过三轴压缩试验研究了泥页岩的力学特性以及脆性特征；文献［27］通过三轴压缩试验研究了川南地区龙马溪组页岩的力学特性和破坏模式；文献［28］通过三轴压缩试验研究了油页岩力学特性的影响因素。研究学者对岩石的力学特性进行了较多研究，并取得一定的认识，而对玛湖凹陷百口泉组砂砾岩储集层岩石的力学特性和破坏模式等方面还未进行深入研究。

同时，学者们为深入认识水力裂缝扩展规律做了大量的研究工作，主要是基于理论探索、试验研究和数值模拟等手段。文献［29］基于RFPA软件模拟研究了砂砾岩储集层压裂裂缝扩展规律；文献［30］基于RFPA软件模拟研究了砂砾岩储集层水力裂缝的扩展规律，并讨论了地应力场、砾石含量和粒径等对裂缝扩展规律的影响；文献［31］基于细观损伤有限元的方法构建了砂砾岩储集层水力裂缝扩展数学模型，研究了水力裂缝的扩展规律。这些研究说明数值模拟方法是研究裂缝扩展的有效方法。这些研究成果也有助于认识砂砾岩储集层中裂缝扩展规律，但这些研究模拟过程中并没有构建含有真实砾石模型，对于砂砾岩裂缝扩展机制的认识有一定的局限性。

本文以玛湖凹陷百口泉组砂砾岩储集层岩石为研究对象，通过三轴压缩试验、巴西劈裂法和压入硬度试验开展了百口泉组砂砾岩储集层岩石的力学行为研究，从而揭示砂砾岩储集层岩石的力学特性。在此基础上，利用数值模拟方法构建含有真实砾石的二维模型，研究砂砾岩中裂缝扩展的动态过程，讨论了砾石强度对裂缝扩展机制的影响，为更好地预防钻井、完井复杂事故以及保障压裂效果提供理论和实践指导。

1 实验样品

本文研究实验样品采自准噶尔盆地玛湖凹陷下三叠统百口泉组，岩性主要为灰色砂砾岩、含砾粗砂岩、砂质砾岩、中—粗砾岩等，砾石大小不等，最大粒径10.0 cm，一般为0.5～2.0 cm.从百口泉组砂砾岩储集层岩石的粒度分析结果（表1）可看出，储集层岩性主要以细砾岩和粗砾岩为主，砾石含量为2%～51%，平均为29%.实验样品主要取自玛湖凹陷的风南区块、艾湖区块和玛湖区块，实验样品的详细信息见表2.从表2可以看出，砂砾岩的岩性在纵向上分布差异大，说明砂砾岩存在较强的非均质性。为了达到研究目的，进行了单轴压缩试验、三轴压缩试验、巴西劈裂法试验和压入硬度试验。试验中岩样的制取依据《工程岩体试验方法标准》的相关要求：实验样品两端面的不平行度，最大不超过0.05 mm，端面垂直于轴线，最大偏差不超过0.25°.

表1 玛湖凹陷百口泉组岩石粒度分析结果

2 力学特征

为了研究玛湖凹陷百口泉组砂砾岩储集层岩石的力学特性，进行了单轴和三轴压缩试验、巴西劈裂法试验和压入硬度试验，分别获取砂砾岩的抗压强度、抗张强度和硬度等参数。单轴压缩试验包括9组，三轴压缩试验包括16组，巴西劈裂法试验包括16组，压入硬度试验包括20组。

2.1 砂砾岩抗张强度特征

砂砾岩岩样的抗张强度测试结果见表3，从表3可以看出，玛湖凹陷百口泉组砂砾岩储集层岩石的抗张强度为1.19～4.96 MPa，平均为3.01 MPa，岩样的抗张强度具有明显的离散性。不同岩性的岩样抗张强度表现有差异，粗砾岩岩样的抗张强度为1.19～2.52 MPa，平均为1.97 MPa，而细砾岩岩样的抗张强度为2.91～4.96 MPa，平均为3.57 MPa，说明砂砾岩储集层中不同岩性岩石的抗张强度存在较明显的差异，其中细砾岩的岩样抗张强度明显大于粗砾岩的岩样。这也表明在相同载荷下粗砾岩比细砾岩更易出现拉伸破坏。这个可能与粗砾岩中砾石颗粒的直径较大以及砾石间胶结物有关。抗张强度又称为抗拉强度，是储集层压裂改造设计中一个重要参数，也是评价地层破裂的重要参数。玛湖凹陷百口泉组砂砾岩储集层在纵向和横向上非均质性较强，造成砂砾岩储集层岩石的抗张强度在纵向上和横向上具较明显的差异，因此，对于储集层压裂改造设计与实施过程中需要充分考虑砂砾岩储集层岩石的抗张强度。

表2 玛湖凹陷百口泉组岩样的基本信息

表3 玛湖凹陷百口泉组岩样的抗张强度测试结果

2.2 砂砾岩硬度特征

砂砾岩岩样的压入硬度试验结果见表4，从表4可以看出，玛湖凹陷百口泉组砂砾岩储集层岩石的硬度为295.7～1 618.6 MPa，平均为881.5 MPa.结合表2可以发现，粗砾岩的硬度较小。为了进一步研究砂砾岩中基质部分和砾石部分硬度大小的差异，选取岩性为粗砾岩的井下全直径岩心进行砾石颗粒与不含砾石基质部分的分离（图1）。在此基础上，分别进行砾石颗粒的压入硬度试验和不含砾石基质部分的压入硬度试验，分析砾石和基质部分硬度的差异。砾石和基质部分压入硬度试验包括8组，试验结果见表5.从表5可以看出，砾石的硬度为119.8～1 049.7 MPa，平均为604.3 MPa，而不含砾石基质部分的硬度为71.4～478.2 MPa，平均为250.3 MPa，说明砾石的硬度要大于基质部分的硬度，砾石的硬度约为基质部分硬度的2倍。对砾石成分进行分析发现砾石多以石英和花岗岩为主，而基质成分多以砂岩和泥质为主。说明砾石成分和基质成分的差异造成了砂砾岩中砾石硬度和基质部分硬度的差异。由于岩石硬度与岩石强度存在正相关性[32]，即岩石硬度在一定程度上反映岩石强度，因此砂砾岩中的砾石成分和基质成分的差异将造成砂砾岩储集层岩石强度的非均质性。

表4 玛湖凹陷百口泉组岩样的压入硬度试验结果

图1 玛湖凹陷百口泉组砂砾岩的砾石和基质分离示意

表5 玛湖凹陷百口泉组砂砾岩的基质和砾石压入硬度试验结果

2.3 砂砾岩抗压强度特征及破坏模式

砂砾岩岩样的单轴压缩试验结果见表6，从表6可以看出，玛湖凹陷百口泉组砂砾岩储集层岩石岩样的力学参数范围较大，其中岩样的弹性模量为29.01～78.15 GPa，平均为48.04 GPa；岩样的泊松比为0.151 5～0.750 7，平均为0.375 7；岩样的单轴抗压强度为14.0～54.5 MPa，平均为36.5 MPa，说明玛湖凹陷百口泉组砂砾岩储集层岩石的力学特性差异显著。同时，从表6还可以发现，不同岩性的岩石单轴抗压强度表现有差异，粗砾岩单轴抗压强度为23.6～33.6 MPa，平均为29.1 MPa，而细砾岩单轴抗压强度为36.7～54.5 MPa，平均为45.3 MPa，说明砂砾岩储集层中不同岩性岩石的单轴抗压强度存在较明显的差异，其中细砾岩单轴抗压强度明显大于粗砾岩，这个可能与粗砾岩自身的非均质性（粗砾岩石中砾石颗粒的粒径及砾石颗粒的空间分布）有关。这也说明了玛湖凹陷百口泉组砂砾岩储集层岩石的力学特性具有较强的非均质性。单轴抗压强度是评价钻井过程中安全钻进的重要参数，在玛湖凹陷百口泉组砂砾岩储集层中不同岩性地层的井壁稳定性差异较大，其中岩性为粗砾岩的地层，钻井过程中相对较易引起井壁失稳。

表6 玛湖凹陷百口泉组岩样单轴压缩试验结果

砂砾岩岩样的三轴压缩试验结果见表7，从表7可以看出，三轴压缩试验中，玛湖凹陷百口泉组砂砾岩储集层岩石的力学参数分布范围较大，岩样的弹性模量、泊松比、抗压强度等力学参数存在较大差异，即力学特性差异较明显。同时，从表2和表7还可以发现，相同岩性不同取样深度砂砾岩力学参数差异较大；相近取样深度不同岩性的砂砾岩力学参数有明显的差异；相近取样深度和相同岩性的砂砾岩力学参数也有显著的差异，说明岩性、取样深度和加载条件影响砂砾岩的力学特性。这也表明砂砾岩具有较强的非均质性，这与砂砾岩形成过程中造岩矿物类型、沉积环境、构造历史等有关。这种力学上表现出的差异将影响玛湖凹陷百口泉组砂砾岩勘探开发中井眼轨迹优化及压裂设计方案优化。此外，从表6和表7可以发现，玛湖凹陷百口泉组砂砾岩储集层岩石岩样的弹性模量、泊松比和抗压强度与围压之间没有显著的相关性。

砂砾岩岩样在单轴压缩下岩石的破坏形态如图2.从图2可以看出，在单轴压缩试验中，砂砾岩的破坏模式主要以拉伸劈裂为主，并形成多条与岩样轴线平行的竖向裂缝。这主要是因为在轴向荷载作用下，岩样单轴压缩时应力达到峰值后伴随着能量的突然释放，在岩样表面形成多个宏观拉伸破裂面，并表现为较明显的脆性特性。砂砾岩岩样在三轴压缩下岩石的破坏形态如图3.从图2和图3中可以看出，随着围压增加，砂砾岩岩样破坏受到抑制，砂砾岩岩样的强度逐渐提高，这可能与围压增加对裂纹扩展起到了抑制作用有关。从图3可以看出，高围压下，砂砾岩岩样的破坏模式呈现多样性，包括劈裂破坏（4-3号岩心、5-3号岩心、12-3号岩心）、单剪切破坏（8-3号岩心、20-3号岩心）和双剪切破坏（11-3号岩心、21-3号岩心、24-3号岩心）。砂砾岩岩样的破坏模式与岩性、围压之间并不存在显著的关联性，相同岩性相同围压下砂砾岩岩样破坏模式表现不一样，相同围压下不同岩性砂砾岩岩样破坏模式表现有可能一致。这说明了岩石的破坏模式受到岩性、加载条件、岩石内部微观结构等因素的影响。同时，从图2和图3可以看出，单轴加载时砂砾岩岩样的劈裂破坏较三轴加载（高围压）时更显著。这主要是因为围压条件下将抑制竖向裂缝张开，在一定程度上阻止多破裂面发育。此外，从图3还可以看出，细砾岩岩样中砾石颗粒对裂缝延伸方向的影响不明显，而中砾岩或粗砾岩岩样中砾石颗粒的存在使裂缝延伸方向发生变化。这主要是因为在岩石破裂过程中砾石大颗粒存在将对裂缝的扩展起到屏蔽作用，如图3中4-3号岩心和12-3号岩心的穿砾形式以及24-3号岩心的绕砾形式。

表7 玛湖凹陷百口泉组岩样的三轴压缩试验结果

图2 单轴压缩试验后岩样（图中红线为裂缝）

图3 三轴压缩试验后岩样（图中红线为裂缝）

砂砾岩破裂过程中裂缝的扩展形式如图4所示。从图4可以看出，砂砾岩破裂过程中裂缝的扩展形式主要包括穿砾、绕砾、嵌入止砾等。砂砾岩中砾石颗粒屏蔽裂缝扩展时，造成在破裂过程中裂缝以绕砾形式延伸。实验后对砾石成分分析发现，砾石多以石英和花岗岩为主，砾石强度与基质强度差别较大，在裂缝扩展过程中，由于砾石强度大以及胶结程度弱，裂缝多以从砾石单侧或两侧绕过的形式继续延伸，即砾石颗粒改变裂缝的延伸方向。砂砾岩中砾石颗粒对裂缝扩展影响程度较小时，裂缝在扩展过程中遇到砾石多以穿砾形式扩展，实验后对砾石成分进行分析发现，砾石多以凝灰岩、砂岩为主，岩石中砾石强度与基质强度差别不大，裂缝多以穿过砾石的形式继续延伸，即砾石颗粒不影响裂缝的延伸方向。由于在实验过程中轴向压力是持续加载，所以在破坏形态中裂缝扩展止于砾石的情形不明显。说明砂砾岩中砾石组分与基质成分对裂缝的扩展形式有重要影响。同时，从图4还可以发现，砂砾岩破裂过程中同时伴随多种的裂缝扩展方式，这主要与砾石分布和砾石成分有关。因此，砂砾岩中砾石颗粒的存在造成破裂过程中裂缝扩展的复杂性，需要更进一步研究砾石空间分布、砾石粒径、砾石强度等对裂缝扩展的影响。

图4 砂砾岩中裂缝的扩展方式（图中红线为裂缝）

2.4 砂砾岩岩石应力—应变曲线特征

不同岩性的砂砾岩岩样的压缩应力—应变曲线如图5所示。从图5可以看出，不同岩性岩样的轴向变形均大于径向变形；随着围压的增加，不同岩性岩样的脆性特征减弱，塑性表现增强。随着围压的增加，轴向峰值应变逐渐增大，如围压从0增加到38 MPa时，细砾岩岩样的轴向峰值应变从0.082%增大到0.541%，则岩样表现出明显的变形特征。单轴压缩试验中，砂砾岩岩样的轴向峰值应变平均为0.085%，表明砂砾岩岩样表现为较明显的脆性特性。在围压40 MPa以内，砂砾岩岩样也表现出较强的脆性特征，岩样整体破坏前的轴向峰值应变都小于1.000%.据岩石脆性和延性划分标准[35]，不同岩性砂砾岩储集层岩石具有较好的脆性特征。此外，从图5还可以看出，不同岩性岩样三轴压缩应力—应变曲线（不包括单轴压缩应力—应变曲线）主要分为弹性变形阶段、屈服阶段和破坏阶段，并未观测到压密阶段。这可能是因为初始围压下，应力差可能对岩样进行压密作用，相当于围压下轴压在达到同等强度时开始加载，这个阶段可能是压密阶段，且试验记录无法记载[26]。加载初期，不同围压弹性变形阶段曲线斜率是变化的，表明弹性变形阶段随围压增加，岩样的刚度逐渐增强。

图5 不同岩性的岩样压缩试验应力—应变曲线

3 裂缝扩展数值模拟

基于三轴压缩试验结果，初步认识了在岩石破裂过程中裂缝的延伸扩展形式。但是基于三轴压缩试验结果，只能对破坏后裂缝延伸扩展形式进行静态观察描述，无法描述裂缝延伸扩展的动态过程，且物理实验具有不可重复性。因此，为了进一步研究地层中裂缝延伸扩展机制，采用数值模拟的方法展开相关研究。利用岩心照片经过二值化图像处理获取含有真实砾石模型，从而构建含有真实砾石的二维井眼模型，利用破裂过程分析，即RFPA软件研究地层中裂缝延伸扩展的过程，同时研究砾石强度特征对裂缝延伸扩展的影响。

3.1 数值计算模型的构建

根据砂砾岩岩心（图6a，图6b）的砾石分布，构建出含有砾石的二维井眼模型（图6c），模型中砾石的分布按真实岩心的分布为标准，在模型中间设计一个井眼。通过观测真实岩心照片（图6a）可看出主要包括3种砾石：白色的砾石1、灰色的砾石2和黑色的砾石3.根据砂砾岩的力学特性研究结果可知，砂砾岩中的基质部分和砾石部分的硬度存在差异，后者大于前者，且不同成分砾石的硬度也存在差异。由于岩石硬度与岩石强度存在正相关性[32]，即岩石硬度在一定程度上反映岩石强度，结合实测力学参数，以此给模型中基质部分和不同成分砾石部分的强度细观参数赋值，模型采用的宏观和细观参数如表8和表9所示。模型的约束及加载方式如图6c所示。

图6 含真实砾石的数值模型的构建

表8 模型中基质和砾石的宏观参数

由研究区的真实地应力作为约束加载条件，模型的约束及加载方式如图6c所示。图6c中水平最大主应力σh1为65 MPa，水平最小主应力σh2为59 MPa.模型中水力压裂井眼，初始水压为20 MPa，不断施加水压，观测压裂缝在砂砾岩中扩展延伸规律。

表9 模型中基质和砾石的细观参数

3.2 裂缝延伸规律

砂砾岩地层模型中井周裂缝形成过程如图7所示。从图7可看出，裂缝在水平最大主应力方向主要表现为绕砾，而在水平最小主应力方向主要表现为穿砾；井壁左侧砾石1的强度大且粒径大，井筒液柱压力较低时表现为绕砾，当井筒液柱压力升高到一定程度时表现为穿砾；而井壁右侧砾石1的强度大且粒径小，主要表现为绕砾，这说明砾石粒径大小将对裂缝扩展形式产生影响；下方砾石2距离井壁较近，表现为穿砾，而上方砾石3距离井壁较远，表现为绕砾。砾石3的强度小于砾石2，裂缝遇到砾石2或砾石3时，在砾石3处应更易表现为穿砾，这与实际模拟结果不一致，这说明砾石与井壁的相对位置也将对裂缝扩展形式产生影响。同时，从图7还可看出，井周裂缝的扩展缺乏诱导性，这可能与地应力差较小有关。

图7 数值模拟过程中砂砾岩地层裂缝扩展结果

3.3 砾石强度的影响

为研究不同砾石强度对裂缝扩展延伸的影响，模型中基质强度保持不变，调整3种不同砾石的强度，考虑了8种砾石强度对裂缝延伸规律的影响，不同砾石强度对砂砾岩地层中裂缝扩展结果的影响见图8.

从图8可看出，随着砾石强度增加，在水平最大主应力方向上，裂缝遇到同一砾石时表现从穿砾变为绕砾，且随着砾石强度的增加，绕砾现象更加明显；在水平最小主应力方向上，裂缝遇到同一砾石时表现为从穿砾到裂缝嵌入止砾。这说明砾石部分强度与基质部分强度差异较小时，裂缝遇到砾石更多表现为穿砾，随着砾石强度增加（与基质部分强度差异增大），砾石屏蔽作用增强，裂缝遇到砾石趋于从穿砾变为绕砾。同时，裂缝遇到不同强度砾石时，强度低的砾石更多表现为穿砾，而强度高的砾石更多表现为绕砾。此外，从图8中还可以看出，在砾石强度相同时，裂缝遇到粒径较大的砾石时易于表现为穿砾，而裂缝遇到粒径较小的砾石时表现为绕砾。

图8 不同砾石强度对裂缝延伸的影响（SG为调整后的砾石强度，ST为砾石真实强度）

玛湖凹陷百口泉组砂砾岩储集层岩石存在较强的非均质性，造成不同岩性的砂砾岩岩石的力学特性差异较大，说明玛湖凹陷百口泉组砂砾岩储集层在纵向上和横向上力学特性分布差异较大。因此，砂砾岩储集层在勘探开发中应该考虑不同岩性岩石力学特性的差异，将导致不同岩性层段的井眼轨迹优化和井壁失稳预防措施不同。此外，玛湖凹陷百口泉组砂砾岩储集层岩石具有较显著的脆性特征，在储集层压裂改造中易于形成裂缝。砾石强度（成分）和基质强度（成分）相近，砾石屏蔽作用不显著，储集层压裂改造中裂缝以穿砾的形式延伸，将不利于提高缝长；而砾石强度与基质强度相差较大，砾石的屏蔽作用增强，储集层压裂改造中裂缝以绕砾的形式延伸，利于裂缝形成分叉即易于形成缝网。因此，砂砾岩储集层压裂改造中应充分考虑砂砾岩储集层中砾石强度和基质强度的差异。

4 结论

（1）玛湖凹陷百口泉组砂砾岩储集层岩石具有较强的非均质性，造成不同岩性的砂砾岩力学特性差异较明显，其中细砾岩力学强度强于粗砾岩，将导致不同岩性层段的井眼轨迹优化和井壁失稳预防措施不同。

（2）砂砾岩的轴向峰值应变小于1.0%，说明砂砾岩具有显著的脆性特征。单轴压缩中砂砾岩破坏模式主要以劈裂破坏为主，而三轴压缩中砂砾岩破坏模式包括劈裂破坏、单剪切破坏和双剪切破坏。

（3）岩石中砾石成分和基质成分间差异对砂砾岩力学特性的影响较大。砂砾岩中砾石颗粒的屏蔽作用造成破裂过程中裂缝扩展主要有穿砾、绕砾、嵌入止砾等形式，其中储集层压裂改造中裂缝以绕砾的形式延伸易于形成缝网。

（4）砾石强度较小时，砾石屏蔽作用较弱，裂缝遇到砾石更多表现为穿砾，随着砾石强度增大，砾石遮挡能力增强，裂缝遇到砾石扩展将由穿砾形式变为绕砾形式。

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